(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと、コンセントレータと、可変のコンセントレータとを備えており、
前記タービンが、ブレードアセンブリを備えており、該ブレードアセンブリが、軸を中心にして回転することができる複数のブレードを備えており、該ブレードのうちの１つ以上が、開放部を定めており、該開放部が、該開放部の一部分がブレードの外縁よりも前記軸の近くに位置するように配置されており、前記タービンが、上流方向および下流方向を定める流体の全体としての流れの所定の方向に関して、押し側半分および戻り側半分を有しており、
前記コンセントレータが、前記タービンの前記戻り側半分の少なくとも一部分のすぐ上流のコンセントレータ位置に位置し、該コンセントレータ位置にあるときに、上流を向いた凸面と下流を向いた凹面とを定め、前記凸面を、少なくとも一部の流体を前記タービンの前記押し側半分に向かってそらすように位置させ、前記凹面を、前記タービンの前記戻り側半分からおおむね上流へと流れる少なくとも一部の流体をおおむね下流へと流れるように向け直すように位置させ、
前記可変のコンセントレータが、前記タービンの上流かつ前記押し側半分に位置し、流体をそらすべく動作することができる偏向面を備えており、該偏向面を、前記タービンの高さのかなりの部分にわたって前記軸におおむね平行に延びるように位置させ、前記可変のコンセントレータが、第１の位置と第２の位置との間を可動であって、前記第１の位置において前記第２の位置にあるときよりも多くの流体を前記ブレードアセンブリに向かってそらすように構成されている流体タービンシステム。
【請求項２】
前記複数のブレードが、掃引経路を定めており、前記押し側半分から最も遠い前記掃引経路の縁が、戻り側半分外縁を定めており、前記コンセントレータの少なくとも一部分が、前記全体としての流れに垂直かつ前記押し側半分から離れる方向に測定したときに、前記掃引経路の前記戻り側半分外縁を過ぎて延びるように構成されており、前記コンセントレータが、流体の抗力部分を前記掃引経路から離れるように上流へと引き出し、該流体の抗力部分を下流へと流れるように向け直すための形状および構成を有している請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項３】
前記複数のブレードが、開放部を定めている４枚のブレードを含んでおり、該４枚のブレードが、前記軸から延びており、該４枚のブレードの各々が、先端部を備えており、該４枚のブレードの各々を、リフト位置、押し位置、キャッチ位置、および戻り位置に位置させることができ、
リフト位置は、リフト位置にあるブレードの先端部が前記軸のおおむね上流に位置し、リフト位置にあるブレードの曲面部分が前記タービンの戻り側半分から離れる方向に向かって凸であるように、ブレードが位置することによって定められ、
押し位置は、押し位置にあるブレードの先端部が前記タービンの押し側半分に位置し、押し位置にあるブレードの押し面部分がおおむね上流を向くように、ブレードが位置することによって定められ、
キャッチ位置は、キャッチ位置にあるブレードの先端部が前記軸のおおむね下流に位置し、キャッチ位置にあるブレードの前記押し面部分よりも先端部側に位置するキャッチ面部分がおおむね上流に向くように、ブレードが位置することによって定められ、
戻り位置は、戻り位置にあるブレードの先端部が前記タービンの戻り側半分に位置し、戻り位置にあるブレードの戻り面部分がおおむね上流を向くように、ブレードが位置することによって定められる請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項４】
前記タービンを、前記４枚のブレードのうちの第１のブレードがリフト位置にあり、前記４枚のブレードのうちの第２のブレードが押し位置にあり、前記４枚のブレードのうちの第３のブレードがキャッチ位置にあり、前記４枚のブレードのうちの第４のブレードが戻り位置にあるトルク位置に位置させたとき、前記コンセントレータおよび前記４枚のブレードが、流体の全体としての流れに応答して好都合なトルク特性をもたらすように構成されており、
前記第１のブレードが、前記曲面部分を横切って流れる少なくとも一部の流体を加速させることで、トルクをもたらすように構成されており、
前記第２のブレードが、前記押し面部分に少なくとも一部の流体が衝突することによってトルクをもたらすように構成されており、
前記第３のブレードが、前記キャッチ面部分に少なくとも一部の流体が衝突することによってトルクをもたらすように構成されており、
前記コンセントレータが、少なくとも一部の流体の前記戻り面部分への衝突を阻止することによって、前記第４のブレードへの抗力を少なくするように構成されている請求項３に記載の流体タービンシステム。
【請求項５】
前記複数のブレードが、掃引経路を定めており、前記押し側半分から最も遠い前記掃引経路の縁が、戻り側半分外縁を定めており、前記コンセントレータの少なくとも一部分が、前記全体としての流れに垂直かつ前記押し側半分から離れる方向に測定したときに、前記掃引経路の前記戻り側半分外縁を過ぎて延びるように構成されている請求項４に記載の流体タービンシステム。
【請求項６】
前記第１のブレード、前記第２のブレード、および前記第３のブレードが、前記タービンが前記トルク位置に静止しているときに、同時にトルクをもたらすように構成されており、前記第２のブレードの前記開放部を、少なくとも一部の流体が前記第２のブレードの前記開放部を通って前記第３のブレードの前記キャッチ面部分に衝突するように位置させる請求項４に記載の流体タービンシステム。
【請求項７】
前記ブレードのうちの１つ以上によって定められる前記開放部が、連続的である請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項８】
前記ブレードのうちの１つ以上によって定められる前記開放部が、不連続である請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項９】
前記可変のコンセントレータが、前記第１の位置に向かって付勢されるように構成されている請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項１０】
前記可変のコンセントレータが、流体の流れが該可変のコンセントレータを前記第１の位置から前記第２の位置に向かって調節するように作用できるように構成されている請求項９に記載の流体タービンシステム。
【請求項１１】
前記可変のコンセントレータが、前記第２の位置にあるときに少なくとも一部の流体を前記ブレードアセンブリに向けてそらすように構成されている請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項１２】
前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータが、前記タービンの外周の周囲で可動であり、当該流体タービンシステムが、前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータに接続されるように構成されたテールフィンをさらに備えており、該テールフィンが、前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータを前記タービンのおおむね上流に位置させるような形状および構成を有している請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項１３】
前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータへと接続されるように構成された案内モータをさらに備えており、該案内モータが、前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータの位置を選択的に制御するように構成されている請求項１２に記載の流体タービンシステム。
【請求項１４】
前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータが、前記タービンの外周の周囲で可動であり、当該流体タービンシステムが、前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータに接続されるように構成された案内モータをさらに備えており、該案内モータが、タービンの上流の前記コンセントレータおよび可変のコンセントレータを位置決めすべく動作することができる請求項１に記載の流体タービンシステム。
【請求項１５】
タービンと、コンセントレータとを備えており、
前記タービンが、軸を中心にして回転することができるブレードを備えており、該ブレードが、該ブレードの高さのかなりの部分にわたる窓を定めており、前記軸に平行かつ前記軸に交わる第１の平面が、前記タービンの周囲の空間を戻り側および該戻り側の反対側の押し側へと分割しており、
前記タービンが、前記平面に公称上平行に流れる流体に対して、前記戻り側においてはおおむね上流方向に回転し、前記押し側においてはおおむね下流方向に回転するように構成されており、
前記コンセントレータを、前記タービンの少なくとも一部分の上流かつ少なくとも部分的または完全に前記戻り側に位置させ、
前記コンセントレータが、前記タービンの上流の第１の位置から前記タービンのさらに上流の第２の位置まで延びるように構成された第１の曲面部分を備えており、該第１の曲面部分が、前記流体の流れの上流方向に向かって凸であるように構成されており、該第１の曲面部分を、少なくとも一部の流体を前記押し側に向かってそらすように位置させ、
前記コンセントレータを、少なくとも一部の流体を前記ブレードの前記窓から引き出すための相対の真空を生み出すように位置させる流体タービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、流体タービンに関し、さらに詳しくは、垂直軸の流体タービンに関する。
【関連出願】
【０００２】
本出願は、２００８年１１月１０日付の米国特許出願第１２／２６８，２７４号および２００８年９月４日付の米国特許仮出願第６１／０９４，３８６号に関係し、これらの出願の利益を主張し、これらの出願の開示の全体が、ここでの言及によって本明細書に援用される。
[発明の背景]
【関連技術の説明】
【０００３】
運動している流体（水または空気など）から動力を生成するために、タービンが使用されている。しかしながら、公知のユニットおよびそのさまざまな構成要素は、さまざまな周知の限界および欠点を抱えている。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書において説明される典型的な実施形態は、いくつかの特徴を有しており、そのうちのいかなる１つも不可欠というわけではなく、単独でそれらの望ましい属性をもたらしているわけでもない。好都合な特徴のうちのいくつかを、以下で簡単に説明するが、そのような説明は、特許請求の範囲の技術的範囲を限定するものではない。
【０００５】
いくつかの実施形態においては、流体タービンシステムが、タービンと、コンセントレータと、可変のコンセントレータとを備えている。タービンが、ブレードアセンブリを備えており、ブレードアセンブリが、軸を中心にして回転することができる複数のブレードを備えている。ブレードのうちの１つ以上が、開放部を定めており、該開放部が、該開放部の一部分がブレードの外縁よりも前記軸の近くに位置するように配置されている。タービンが、上流方向および下流方向を定める流体の全体としての流れの所定の方向に関して、押し側半分および戻り側半分を有している。コンセントレータが、前記タービンの前記戻り側半分の少なくとも一部分のすぐ上流のコンセントレータ位置に位置することができる。コンセントレータ位置にあるときに、コンセントレータは、上流を向いた凸面と下流を向いた凹面とを定めている。凸面を、少なくとも一部の流体を前記タービンの前記押し側半分に向かってそらすように位置させることができ、凹面を、前記タービンの前記戻り側半分からおおむね上流へと流れる少なくとも一部の流体をおおむね下流へと流れるように向け直すように位置させることができる。可変のコンセントレータが、前記タービンの上流かつ前記戻り側半分よりもむしろ前記押し側半分の近くに位置することができる。可変のコンセントレータが、流体をそらすべく動作することができる偏向面を備えており、この偏向面を、前記タービンの高さのかなりの部分にわたって前記軸におおむね平行に延びるように位置させることができる。可変のコンセントレータが、第１の位置と第２の位置との間を可動であって、前記第１の位置において前記第２の位置にあるときよりも多くの流体を前記ブレードアセンブリに向かってそらすように構成されている。
【０００６】
いくつかの実施形態においては、流体タービンシステムが、タービンおよびコンセントレータを備えている。タービンが、軸を中心にして回転可能なブレードを備えており、ブレードが、ブレードの高さのかなりの部分にわたる窓を定めている。前記軸に平行かつ前記軸に交わる第１の平面が、タービンの周囲の空間を戻り側および戻り側の反対側の押し側へと分割しており、 タービンが、前記平面に公称上平行に流れる流体に対して、前記戻り側においてはおおむね上流方向に回転し、前記押し側においてはおおむね下流方向に回転するように構成されている。コンセントレータは、タービンの少なくとも一部分の上流かつ少なくとも部分的または完全に前記戻り側に位置させることが可能である。コンセントレータが、タービンの上流の第１の位置からタービンのさらに上流の第２の位置まで延び、さらに前記戻り側へと延びるように構成された第１の曲面部分を備えている。第１の曲面部分は、流体の流れの上流方向に向かって凸であるように構成されており、この第１の曲面部分を、少なくとも一部の流体を前記押し側に向かってそらすように位置させることができる。さらに、コンセントレータを、少なくとも一部の流体をブレードの窓から引き出すための相対の真空を生み出すように位置させることができる。
【０００７】
先の段落に記載の流体タービンシステムであって、コンセントレータが、前記第１の曲面部分に比べてさらに前記戻り側に位置させることができる第２の表面部分を備えており、この第２の表面部分が、第３の位置から第３の位置よりもさらに前記戻り側かつさらに下流の第４の位置まで延びるように構成されている流体タービンシステム。
【０００８】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、コンセントレータが、下流に向かって凹であるように構成された後面部分を備えており、この後面部分が、上流表面部分、中間表面部分、および下流表面部分を備えており、上流表面部分を、タービンから上流へと流れる少なくとも一部の流体を中間表面部分に向かって案内するような形状および配置とすることができ、中間表面部分を、上流へと流れる前記少なくとも一部の流体を下流表面部分に向かっておおむね下流へと流れるように向け直すような形状および配置とすることができ、下流表面部分を、中間表面部分から前記少なくとも一部の流体を受け取り、この少なくとも一部の流体を前記平面に公称上平行に流れている流体へとおおむね下流に案内するような形状および配置とすることができる流体タービンシステム。
【０００９】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、コンセントレータが、タービンの最外縁に正接しかつ前記第１の平面に平行である第２の平面に少なくとも交差するよう、さらに前記戻り側への方向に、少なくともタービンの外縁まで延びるように構成されている流体タービンシステム。
【００１０】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、前記第２の平面が、ブレード先端半径だけ前記第１の平面から離れており、コンセントレータが、ブレード先端半径の少なくとも２５パーセントだけ前記第２の平面を過ぎて延びるように構成されている流体タービンシステム。
【００１１】
いくつかの実施形態においては、流体タービンシステムが、タービンおよびコンセントレータを備えている。タービンが、軸を中心にして回転することができ、この軸に平行かつこの軸に交わる平面が、タービンの周囲の空間を戻り側および戻り側の反対側の押し側へと分割している。タービンは、前記平面に公称上平行に流れる流体に対して、前記戻り側においてはおおむね上流方向に回転し、前記押し側においてはおおむね下流方向に回転するように構成されている。タービンは、前記押し側から最も離れた戻り側外縁を有している。コンセントレータを、タービンの少なくとも一部分の上流かつ少なくとも部分的または完全に前記戻り側に位置させることができる。コンセントレータは、おおむねＵ字形の部位を備えており、このおおむねＵ字形の部位が、上流に向かって凸であるように位置させることができる上流側表面部分と、下流に向かって凹であるように位置させることができる下流側表面部分とを備えている。上流側表面部分を、流体の押し部分を前記押し側に向かって案内し、流体の戻り部分をタービンから遠ざかるように下流へと案内するように配置することができる。下流側表面部分は、タービンから流体の抗力部分を受け入れ、この流体の抗力部分を流体の前記戻り部分へと下流に向け直すような形状および配置を有することができる部分的に囲まれた領域を形成する。コンセントレータは、前記押し側から最も遠くなるように構成された戻り側端を有している。この戻り側端を、コンセントレータの戻り側端と前記平面との間の最短距離が、タービンの戻り側外縁と前記平面との間の最短距離よりも少なくとも１．２倍大きいように、位置させることができる。
【００１２】
先の段落に記載の流体タービンシステムであって、コンセントレータの全体を、タービン全体の上流に位置させることができる流体タービンシステム。
【００１３】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、コンセントレータが、実質的に中空の翼の一部分として形作られている流体タービンシステム。
【００１４】
いくつかの実施形態においては、流体タービンシステムが、タービンおよび可変のコンセントレータを備えている。タービンは、軸を中心にして回転することができる。この軸に平行かつこの軸に交わる第１の平面が、タービンの周囲の空間を戻り側および戻り側の反対側の押し側へと分割している。タービンは、前記平面に公称上平行に流れる流体に対して、前記戻り側においてはおおむね上流方向に回転し、前記押し側においてはおおむね下流方向に回転するように構成されている。さらにタービンは、掃引経路を定める。可変のコンセントレータを、前記押し側かつタービンの掃引経路の全体の上流に位置させることができる。可変のコンセントレータは、タービンの高さのかなりの部分にわたって前記軸におおむね平行に延びるように位置させることができる偏向面を備えている。偏向面を、少なくとも一部の流体をそらすように構成することができる。可変のコンセントレータは、第１の位置と第２の位置との間を可動であり、前記偏向面が、前記第２の位置にあるときに、前記第１の位置にあるときよりもタービンに向かってそらされる流体が少なくなるように構成されている。
【００１５】
先の段落に記載の流体タービンシステムであって、可変のコンセントレータが、可変のコンセントレータの軸を中心にして前記第１の位置から前記第２の位置へと回転可能である流体タービンシステム。
【００１６】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、可変のコンセントレータが、前記第１の位置に向かって付勢されるように構成されている流体タービンシステム。
【００１７】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、可変のコンセントレータが、可変のコンセントレータへの流体の流れが可変のコンセントレータを前記第１の位置から前記第２の位置へと調節するように作用できるように構成されている流体タービンシステム。
【００１８】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、可変のコンセントレータが、おおむね翼として形作られ、低い流速においてタービンに向かって少なくとも一部の流体をそらして、トルクの出力を増やすように構成されており、さらに可変のコンセントレータが、高い流速において、タービンに向かってそらされる流体を少なくし、あるいはタービンに向かって流体をそらすことをせず、タービンの損傷を防止するように構成されている流体タービンシステム。
【００１９】
いくつかの実施形態においては、流体タービンが、軸を中心にして回転することができる複数のブレードを備えている。ブレードのうちの１つ以上が、開放部を定めており、この開放部が、この開放部の一部分がブレードの外縁よりも前記軸の近くに位置するように配置されている。タービンが、上流方向および下流方向を定める流体の全体としての流れの所定の方向に関して、押し側半分および戻り側半分を有している。前記複数のブレードのうちの１つ以上が、開放部を定めており、先端部を有している押しブレードである。押しブレードを、押しブレードの先端部が前記押し側半分に位置する押し位置に位置させることができる。押しブレードは、押しブレードが押し位置にあるときにおおむね上流を向いている押し表面部分をさらに備えている。前記複数のブレードのうちの１つ以上は、先端部を有しているキャッチブレードである。キャッチブレードを、キャッチブレードの先端部が前記軸のおおむね下流に位置するキャッチ位置に位置させることができる。キャッチブレードは、キャッチブレードがキャッチ位置にあるときにおおむね上流を向いているキャッチ表面部分をさらに備えている。タービンを、上流のブレードが押し位置にある押しブレードであり、下流のブレードがキャッチ位置にあるキャッチブレードであるトルク位置に位置させることができる。トルク位置を、下流のブレードが上流のブレードの全体として下流に位置し、下流のブレードのキャッチ表面部分が上流のブレードの開放部の直接的に下流に位置すると、定義することができる。
【００２０】
先の段落に記載の流体タービンであって、前記複数のブレードのうちの１つ以上が、先端部を備えているリフトブレードであり、このリフトブレードを、先端部が前記軸のおおむね上流に位置するリフト位置に位置させることができ、このリフトブレードが、曲面部分をさらに備えており、この曲面部分が、リフトブレードがリフト位置にあるときに前記戻り側半分から離れる方向に向かって凸であり、この曲面部分が、リフトブレードがリフト位置にあるときにこの曲面を横切っておおむね下流へと流れる流体のリフト部分を前記戻り側半分から離れる方向にそらすような形状および構成を有している流体タービン。
【００２１】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンであって、リフトブレードが、開放部を定めており、このリフトブレードの開放部が、流体の前記リフト部分の少なくとも一部をリフトブレードの開放部を通って流すことができるように機能することができる流体タービン。
【００２２】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンであって、前記複数のブレードが、前記軸から延びかつ互いに等間隔である４枚のブレードを含んでおり、４枚のブレードの各々が、リフトブレード、押しブレード、およびキャッチブレードであり、４枚のブレードが、４枚のブレードの半径方向内側半分が実質的に開いているように開放部を定めており、４枚のブレードが、少なくとも実質的にブレードの半径方向外側半分に位置する前面部分および後面部分を備えており、前面部分が、おおむね真っ直ぐな部分と、このおおむね真っ直ぐな部分の半径方向外側に位置する湾曲部分とを備えており、４枚のブレードを、前記おおむね真っ直ぐな部分が前記平面に垂直かつ上流を向く水平位置に位置させることができ、ブレードが水平位置にあるとき、前記湾曲部分が前記おおむね真っ直ぐな部分よりもさらに上流に位置し、前記後面部分が、ブレードの先端部の付近の第１の端部から前記開放部の付近の第２の端部まで延びており、前記後面部分が、実質的に湾曲しており、４枚のブレードが水平位置にあるとき下流に向かって凸であるように形作られており、前記後面部分が、４枚のブレードが水平位置にあるときに前記後面部分の最も下流側に位置する点が、後面部分の前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置するような形状および構成を有している流体タービン。
【００２３】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンであって、４枚のブレードの断面が、４枚のブレードの高さのかなりの部分にわたって実質的に一定である流体タービン。
【００２４】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンであって、前記ブレードのうちの１つ以上によって定められる前記開放部が、連続的である流体タービン。
【００２５】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンであって、前記ブレードのうちの１つ以上によって定められる前記開放部が、不連続である流体タービン。
【００２６】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンであって、前記複数のブレードが、前記軸に沿って配置されるように構成された水平ブレード部分のアレイを備えている流体タービン。
【００２７】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンであって、前記水平ブレード部分が、隣の水平ブレード部分に対して固定され、隣の水平ブレード部分からの角度のオフセットを有するように構成された少なくとも２枚のブレードを備えている流体タービン。
【００２８】
先の段落のうちの１つに記載の流体タービンシステムであって、前記アレイが、トルクの出力の循環を減らすように構成された仮想のらせんを形成するために、角度のオフセットを有する少なくとも３つの水平ブレード部分を含んでいる流体タービンシステム。
【００２９】
本開示は、上述または本明細書のどこかに記載されるシステムならびに／あるいは種々の構成要素または構成要素の組み合わせの使用方法および製造方法も包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点が、添付の図面に示されている実施形態を参照して、よりよく理解されるであろう。例示される実施形態は、本発明の限界または範囲を定めようとするものではない。
【００３１】
【図１】流体タービンシステムの実施形態を示した概略図である。
【００３２】
【図２】図１の流体タービンシステムの上面図であり、流体について考えられる種々の流れの経路を示している。
【００３３】
【図３Ａ】図１の流体タービンシステムの上面図であり、考えられる種々の速度ゾーンを示している。
【００３４】
【図３Ｂ】図１の垂直軸流体タービンシステムの流速のプロットであり、図３Ａに示した概算の速度ゾーンを示している。
【００３５】
【図４Ａ】図１の流体タービンシステムの上面図であり、考えられる種々の圧力ゾーンを示している。
【００３６】
【図４Ｂ】流体が図１の垂直軸流体タービンシステムを横切って通過するときに生じる圧力を示す圧力のプロットである。
【００３７】
【図５】可変のコンセントレータを備える図１の流体タービンシステムの上面図であり、低速において考えられる流体の流れの経路を示している。
【００３８】
【図６Ａ】可変のコンセントレータを備えない流体タービンシステムの別の実施形態の上面図であり、考えられる種々の速度ゾーンを示している。
【００３９】
【図６Ｂ】図６の垂直軸流体タービンシステムの速度のプロットである。
【００４０】
【図７】ブレードアセンブリ、コンセントレータ、および可変のコンセントレータを備える流体タービンシステムの実施形態の構成要素の斜視図である。
【００４１】
【図８】図７の構成要素を含む流体タービンシステムの側面図であり、テールフィンも示されている。
【００４２】
【図９】図８の流体タービンシステムのブレードアセンブリの斜視図である。
【００４３】
【図１０】図９に示したブレードアセンブリの正面図である。
【００４４】
【図１１】図８の流体タービンシステムのコンセントレータの斜視図である。
【００４５】
【図１２】図８の流体タービンシステムの可変のコンセントレータの斜視図である。
【００４６】
【図１３】ブレードアセンブリの別の実施形態の斜視図である。
【００４７】
【図１４】図１３に示したブレードアセンブリの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
特定の好ましい実施形態および実施例を以下に開示するが、本発明の主題は、具体的に開示される実施形態を超えて、他の代案の実施形態および／または使用、ならびにそれらの変形および同等物まで広がる。したがって、添付の特許請求の範囲の技術的範囲は、後述される特定の実施形態のいずれにも限定されない。例えば、本明細書に開示されるあらゆる方法またはプロセスにおいて、当該方法またはプロセスの各々の行為または動作を、任意の適切な順序で実行することができ、必ずしも開示される特定の順序に限られない。種々の動作が、特定の実施形態の理解に役立つであろうやり方で、複数の個別の動作として順に説明されるかもしれないが、説明の順序は、それらの動作が順序に依存することを意味するものではない。さらに、本明細書に記載される構造、システム、および／または装置を、一体の構成要素として具現化しても、別々の構成要素として具現化してもよい。種々の実施形態の比較の目的において、それら実施形態の特定の態様および利点が説明される。必ずしもそのような態様または利点のすべてが、いずれかの特定の実施形態によって達成されるわけではない。すなわち、例えば、種々の実施形態を、本明細書において教示される１つの利点またはいくつかの利点のグループを実現または最適化するやり方で、しかしながら必ずしもやはり本明細書において教示または示唆されうる他の態様または利点を実現することなく、実行することが可能である。
【００４９】
図１は、流体タービンシステム１００の実施形態を示す概略図である。タービンシステム１００は、ブレードアセンブリ１４０、コンセントレータ１２０、可変コンセントレータ１１０、案内モータ１０２、テールフィン１０４、ギアボックス１０６、および発電機１０８を備えることができる。図１に示されている実施形態においては、ブレードアセンブリ１４０、コンセントレータ１２０、および可変のコンセントレータ１１０が、タービンシステムの１つの考えられる構成に従って配置されている。図１の上部から図１の下部へと仮想される全体的な流体の流れが、「上流」および「下流」方向を定義する。コンセントレータ１２０および可変のコンセントレータ１１０が、図１に示されるとおり、ブレードアセンブリ１４０の上流に位置している。全体としての流体の流れの方向は、説明を容易にし、タービンシステムの構造の定義を助けるためのものである。当業者であれば、実際の流体がただ１つの方向に一貫して一様に流れるわけではないことを、理解できるであろう。
【００５０】
ブレードアセンブリ１４０は、複数のブレードを備えることができる。図１に示されるとおり、４枚のブレード１４２、１４４、１４６、１４８が、中央のシャフト１９０の中心軸に一致する軸Ｙを中心にして回転することができる。全体としての流体の流れの方向は、ブレードの回転方向も定める。図１に示したブレードアセンブリ１４０は、全体としての流体の流れの方向に流れる流体に応答して、反時計方向に回転しようとする。図１に示したブレードアセンブリ１４０の上面図に示されているように、４枚のブレードの各々は、同一の断面を有することができる。各々のブレードは、先端部１５０、１５２、１５４、１５６を有している。ブレード先端部１５０、１５２、１５４、１５６が、ブレード先端部が位置する軸Ｙからの半径（ブレード先端半径と呼ぶことができる）を定めている。各々のブレード１４２、１４４、１４６、１４８は、先端部１５０、１５２、１５４、１５６の各側に、前面および後面を有している。ブレード１４２、１４４、１４６、１４８の前面の大部分は、ブレードの回転方向から離れる方を向いており、後面の大部分は、ブレードの回転方向を向いている。
【００５１】
図１に示した各々のブレードの断面は、中央のシャフト１９０の接線に沿って延びている実質的に真っ直ぐな部位１５８、１６０、１６２、１６４を有している。ブレードの真っ直ぐな部位１５８、１６０、１６２、１６４は、ブレードの高さに沿って延びている開放部または窓を備えることができる（図１に破線で示されている、図９も参照のこと）。いくつかの実施形態において、ブレードの開放部は、ブレードの高さのかなりの部分にわたって延びている。ブレードは、必ずしも実質的に真っ直ぐな部位を備える必要はない。とくには、ブレードの断面の実質的に真っ直ぐな部位がブレードの開放部に一致している実施形態において、ブレード支持部の形状は、ブレードの周囲の流体の運動にあまり影響を及ぼさないと考えられる。しかしながら、製造の容易さおよび材料の節約のために、開放部に沿ったブレード支持部を、実質的に真っ直ぐにすることができる。開放部は、ブレードの高さに沿って連続的でも、不連続でもよい。いくつかの実施形態においては、各々のブレードが、開放部を有している。開放部を、開放部の一部分がブレードの外縁よりもＹ軸により近くなるように配置することができる。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリの半径方向のほぼ内側半分が、ブレードアセンブリの半径方向のほぼ内側半分において流体にさらされる表面積がわずか、または皆無であるように、実質的に開放している。開放面積は、所望されるトルクおよび抗力の特性に応じて、より小さくても、より大きくてもよい。開放部がブレードの外縁よりも軸の近くに位置していることで、流体がブレードのうちの最もトルクをもたらす部分（すなわち、軸から遠い部分）に推進力を付与することができ、回転軸の近くに位置する流体によって生じる抗力を少なくすることができる。
【００５２】
検討の目的のために、平面Ｘが、図１に線として示されている。平面Ｘは、ブレードの回転の中心となる軸Ｙに平行かつ、軸Ｙと交差しており、全体としての流体の流れに平行である。平面Ｘが、タービンアセンブリの周囲の空間を、おおむね２つの半分、すなわち押し側および戻り側へと分割している。ブレード１４４は、押し側に位置している。なぜならば、上記の定義のとおりの全体としての流体の流れの方向に流れる流体が、ブレード１４４が流体によって押されて図１に示されている位置から下流方向に回転するように、ブレードアセンブリを回転させようとするからである。ブレード１４８は、戻り側に位置している。なぜならば、ブレード１４８は、図１について上述のように定義される仮想の全体としての流体の流れに応答して、押し側へと戻るべく上流へと回転しようとするからである。タービンそのものも、２つの半分、すなわち押し半分および戻り半分を有することができる。上流方向および下流方向を定める流体の全体としての流れの所定の方向において、タービンの押し半分は、上流へと回転しようとし、タービンの戻り半分は、下流へと回転しようとする。
【００５３】
図１をさらに参照して、いくつかのブレード位置を、ブレード１４２、１４４、１４６、１４８の形状および動作の説明を容易にするために定義することができる。ブレード１４２を、リフト位置にあると考えることができる。リフト位置は、ブレードの先端部が軸Ｙのおおむね上流に位置し、ブレードの湾曲した表面部分が戻り側から離れる方向に凸であるように、ブレードが位置していることを特徴とする。図１に示されているとおりのブレード１４２の先端部１５０は、軸Ｙの上流に位置しており、湾曲した表面部分１６６が、戻り側から離れる方向に向かって凸である。ブレード１４４は、押し位置にあると考えることができる。押し位置は、ブレードの先端部が押し側に位置し、ブレードの押し表面部分がおおむね上流を向いているブレードの位置を特徴とすることができる。ブレード１４４は、押し側に位置する先端部１５２と、おおむね上流を向いた押し表面部分１７２とを有している。ブレード１４６を、キャッチ位置にあると考えることができる。キャッチ位置は、ブレードの先端部が軸Ｙのおおむね下流に位置し、ブレードのキャッチ表面部分がおおむね上流を向くように、ブレードが位置していることを特徴とすることができる。図１に示されているとおり、ブレード１４６の先端部１５４が、おおむね軸Ｙの下流に位置しており、ブレード１４６のキャッチ表面部分１８２が、おおむね上流を向いている。ブレード１４８を、戻り位置にあると考えることができる。戻り位置は、ブレードの先端部が戻り側に位置し、ブレードの戻り表面部分がおおむね上流を向いていることを特徴とすることができる。図１に示されているように、ブレード１４８は、戻り側に位置する先端部１５６と、おおむね上流を向いている戻り表面部分１８４とを有している。
【００５４】
図１に示したとおりのブレードの位置にもとづき、ブレード１４２をリフトブレードと呼ぶことができ、ブレード１４４を押しブレードと呼ぶことができ、ブレード１４６をキャッチブレードと呼ぶことができ、ブレード１４８を戻りブレードと呼ぶことができる。ブレードアセンブリ１４０が反時計方向に回転しようとするとき、ブレード１４２は、押し位置へと移行し、ブレード１４４は、キャッチ位置へと移行し、ブレード１４６は、戻り位置へと移行し、ブレード１４８は、リフト位置へと移行する。これらの位置は、説明の目的のために使用され、各々のブレードを、所定のブレードアセンブリの回転の任意の所定の時点において、２つ以上の位置にあると考えることが可能である。また、各々のブレードは、軸Ｙを中心とする回転における１つ以上の位置において、リフトブレード、押しブレード、キャッチブレード、または戻りブレードのうちの１つ以上の特徴を呈すること（そのようなブレードの２つ以上の特徴を同時に呈することを含む）が可能である。
【００５５】
上述のように、ブレード１４２は、リフト位置にある。ブレード１４２は、流体が作用したときに揚力をもたらして、ブレードアセンブリ１４０を回転させるためのトルクをもたらすような位置および形状を有している。図１に示されているとおりのブレード１４２の湾曲した表面部分１６８は、ブレード１４２の先端部１５０の付近の第１の端部１６６から、ブレード１４２のおおむね真っ直ぐな部位１５８または開放部の付近の第２の端部１７０まで広がっている。
【００５６】
ブレード１４４は、押し位置にあり、押し表面部分１７２が、おおむね上流を向いている。図１に示されているように、押し表面部分１７２は、おおむね真っ直ぐであってよく、ブレード１４４の前面に位置することができる。さらに、ブレード１４４の前面は、押し表面部分１７２から半径方向に中央のシャフト１９０からさらに離れて位置している湾曲部分１７４を備えることができる。図１に示されているブレード１４４の位置に示されているように、湾曲部分１７４は、押し表面部分１７２が平面Ｘにおおむね垂直であるとき、押し表面部分１７２よりもさらに上流に位置する。さらに、ブレード１４４は、湾曲部分１７４および押し表面部分１７２の反対側に位置する後面部分１７８を備えている。後面部分１７８は、ブレード１４４の先端部１５２の付近の第１の端部１７６から、ブレード１４４のおおむね真っ直ぐな部位１６０の付近の第２の端部１８０まで広がっている。図１に示されているように、ブレード１４４は、水平な位置にある。ブレード１４４の後面部分１７８は、下流に向かって凸である。さらに、後面部分は、ブレード１４４が水平な位置にあるときに、後面部分１７８の中央部が後面部分１７８の第１の端部１７６および第２の端部１８０よりもさらに下流へと延びるような形状および構成を有している。後面部分は、図１に示した実施形態においては、ブレード１４４の半径方向の外側半分にほぼ位置しているため、後面部分１７８の中央部も、ブレード１４４の半径方向の内側半分の外側に位置している。後面部分１７８の中央表面部分は、ブレードのさまざまな位置において抗力の低減および揚力の提供をもたらすことができ、これらの特徴を、中央表面部分をブレードの先端部の近くに位置させることによって向上させることができる。さらに、ブレードアセンブリ１４０のブレード１４２、１４４、１４６、１４８の特徴を後述する。
【００５７】
図１の概略図に示されているように、ブレードアセンブリ１４０を、ギアボックス１０６および／または発電機１０８へと接続することができる。いくつかの実施形態においては、ギアボックス１０６が、ブレードアセンブリ１４０の回転の速度を変換するために使用される。発電機１０８を、タービンシステム１００の回転エネルギーを電力へと変換するために、ギアボックス１０６またはブレードアセンブリ１４０へと接続することができる。流体タービンシステム１００を、他の機能を実行するため、または他の形態のエネルギー（機械装置の駆動に使用される機械的なエネルギーなど）を生成するために、ギアボックス１０６または発電機１０８を備えずに使用することができる。
【００５８】
次に、図１に示されているコンセントレータ１２０を説明する。コンセントレータ１２０は、上流側表面および下流側表面を備えている。さらに、コンセントレータは、押し側に最も近く位置し、あるいは戻り側から最も遠くに位置する押し側端１３４と、戻り側へと最も深く位置し、あるいは押し側から最も遠くに位置する戻り側端１２８とを備えることができる。図１に示した実施形態においては、コンセントレータが、実質的に中空または開放の下流側を有する気流の前部として形作られている。上流側表面は、タービンの少なくとも一部分よりも上流の第１の位置から、さらに上流かつさらに戻り側の第２の位置へと延びている第１の曲面部分１２２を備えることができる。上流側表面の第１の曲面部分１２２を、おおむね上流に向かって凸であり、少なくとも一部の流体をタービンシステムの押し側に向かってそらすように配置できるように、形作ることができる。
【００５９】
図１に示されている実施形態において、コンセントレータ１２０の押し側端１３４は、平面Ｘの戻り側に位置している。図１において、押し側端１３４は、押し側に最も近いコンセントレータ１２０の端部であるが、押し側端１３４と平面Ｘとの間にはすき間が残っている。押し側端１３４と平面Ｘとの間のすき間は、システムの効率、出力、または最小起動流体速度を高めることができる。例えば、コンセントレータの押し側端１３４がより押し側の近くに位置している場合や、コンセントレータ１２０が存在していない場合に比べて、コンセントレータ１２０（例えば、第１の曲面部分１２２）から押し側へと向かう方向に流れる流体が、より速やかに適切な方向へとブレード１４２を「押し」始めることができる。ブレード１４２が図１に示されている位置から反時計方向に回転するとき、コンセントレータ１２０から下流へと流れ、さらには／あるいは押し側へと流れる流体が、ブレード１４２の前面が全体としての流体の流れの方向にてブレード１４２に接近する流体に他の様相でさらされる場合に比べ、より速やかにブレード１４２の前面に衝突できる。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０の押し側端１３４と平面Ｘとの間のすき間または最短距離が、ブレード先端半径の約１パーセント（％）よりも大きく、ブレード先端半径の約３パーセント（％）よりも大きく、ブレード先端半径の約５パーセント（％）よりも大きい。いくつかの実施形態においては、すき間が、ブレード先端半径の約６〜７パーセントの間である。しかしながら、コンセントレータ１２０の押し側端１３４は、必ずしも平面Ｘの戻り側に位置する必要はない。
【００６０】
いくつかの実施形態において、コンセントレータ１２０は、コンセントレータ１２０の少なくとも一部分がタービンシステム１００の押し側に位置するように配置される。この位置にあるとき、コンセントレータ１２０は、平面Ｘに交差してもよい。コンセントレータ１２０が押し側においてブレードアセンブリ１４０を少なくとも部分的に遮るように、コンセントレータ１２０の押し側端１３４と平面Ｘとの間にすき間が存在してもよい。ブレードアセンブリ１４０の回転を遅くし、ブレードアセンブリ１４０の回転を停止させ、あるいはタービンシステム１００を高速で流れる流体による損傷から保護するために、コンセントレータ１２０を押し側においてブレードアセンブリ１４０を少なくとも部分的に遮るように配置することが、望ましい可能性がある。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０の押し側端１３４が押し側にある場合に、押し側端１３４と平面Ｘとの間に遮蔽すき間が存在する。遮蔽すき間は、ブレード先端半径の約１パーセント（％）よりも大きくてよく、ブレード先端半径の約３パーセント（％）よりも大きくてよく、ブレード先端半径の約５パーセント（％）よりも大きくてよい。遮蔽すき間は、ブレード先端半径の約２５パーセント〜約５０パーセントの間であってよい。いくつかの実施形態においては、遮蔽すき間が、ブレード先端半径の約５０パーセントよりも大きい。いくつかの実施形態においては、遮蔽すき間が、ブレード先端半径の約１００パーセントであってよい。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０の中央を、平面Ｘにほぼ交差するように配置することができる。
【００６１】
いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０が、第１の位置と第２の位置との間で可動である。第２の位置は、第１の位置に比べて、タービンシステム１００が流体からエネルギーをあまり取り出さないように設定されており、あるいはタービンシステム１００に接近する流体にブレードアセンブリ１４０があまりさらされないように設定されている位置に相当することができる。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０が第１の位置にあるとき、コンセントレータ１２０の押し側端１３４および戻り側端１２８が、タービンシステム１００の戻り側に位置する。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０が第２の位置にあるとき、押し側端１３４が押し側に位置し、戻り側端１２８が戻り側に位置する。さらに、コンセントレータ１２０が、タービンシステム１００に接近する流体への実質的にあらゆる直接的な暴露からブレードアセンブリ１４０を完全に遮蔽するように配置可能であってもよい。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０が、第１および第２の位置の間の軌道に沿って移動可能である。コンセントレータ１２０の位置を調節するために、モータを使用することが可能である。流体タービンシステム１００またはその付近に取り付けられたセンサを、流体の方向または速度を検出するために使用することができる。センサからの情報を、コンセントレータ１２０の位置を手作業または自動的に調節するために使用することができる。例えば、コンセントレータ１２０に取り付けられたセンサが、高い流速または風速を知らせる信号をコンピュータへと送信することができる。コンピュータが、ブレードアセンブリ１４０の回転速度を下げ、あるいはブレードアセンブリ１４０を損傷から保護するように、コンセントレータ１２０を動かすべきであると判断することができる。風速が低下するにつれて、コンセントレータ１２０を、再び第１の位置に向かって自動的に動かすことができる。コンセントレータ１２０は、ブレードアセンブリ１４０の回転速度を調節するガバナであってよい。コンセントレータ１２０の移動を、本明細書のどこかで説明されるような全体としての流体の流れの方向に関するコンセントレータの調節に代わることができ、あるいはそのような調節に加えることができ、あるいはそのような調節と組み合わせることができる。
【００６２】
コンセントレータ１２０の上流側表面は、第１の曲面部分１２２に比べてさらに戻り側に位置させることができる第２の表面部分１２６をさらに備えることができる。第２の表面部分は、第３の位置から、第３の位置よりもさらに戻り側かつさらに下流の第４の位置まで広がることができる。コンセントレータは、流体が押し側に向かう方向または押し側から遠ざかる方向のいずれかへとそらされる偏向点１２４を有することができる。コンセントレータ１２０は、図１に示されている実施形態に示されているように対称であってよく、その場合には、偏向点１２４は、上流側表面の中間点であってよい。図１に示されるとおり、偏向点１２４の各側の上流側表面部分は、上流側表面の全体が上流に向かって凸であるおおむねＵ字形の表面であるように、上流に向かって凸であってよい。上流側表面は、おおむね放物線の形状（必ずしも放物型方程式に数学的に一致しなくてもよい）を有することができる。全体としての上流側表面を、おおむね翼（翼の厳密な数学的定義に技術的に一致しても一致しなくてもよい）の前端として形作ることも可能である。本明細書の全体において使用されるとき、用語「放物線」および「翼」は、広義の用語であり、これらの用語によって説明される形状の表面は、「放物線」または「翼」の形状の数学的定義に厳密に一致する必要はない。
【００６３】
コンセントレータ１２０の下流側表面を、下流に向かって凹であるような形状および配置とすることができる。図１に示されている実施形態においては、コンセントレータ１２０の下流側表面が、上流表面１３２、中間表面１３６、および下流表面１３０を備えている。図２を参照して説明されるとおり、上流表面１３２を、ブレードアセンブリ１４０から上流へと流れる流体を受け取り、中間表面１３６に向かって案内するように構成することができる。中間表面１３６を、上流表面１３２からの少なくとも或る程度の流体を下流表面１３０へと向け直すように構成することができる。下流表面１３０は、最終的にブレードアセンブリ１４０から離れるように流れるように、流体を流体の全体としての流れへと下流に案内するような形状および構成を有している。図１に示した実施形態に示されているように、コンセントレータ１２０の下流側表面は、コンセントレータ１２０の上流側表面から実質的に等距離であってよく、実質的に一定の厚さのコンセントレータ１２０を形成することができる。いくつかの実施形態においては、全体としてのコンセントレータ１２０を、おおむね放物線として形作ることができ、おおむね実質的に中空な翼の前端部として形作ることができ、あるいはおおむねＵ字形であってよい。また、コンセントレータ１２０は、図１に示され、さらに後述されるとおり、戻り側におけるブレードの経路の外側端よりもさらに距離Ｚだけ延びることができる。
【００６４】
次に、図１に示した可変のコンセントレータ１１０を説明する。可変のコンセントレータ１１０を、おおむね翼として形作ることができる。図１に示されているとおり、可変のコンセントレータ１１０は、前縁１１２、後縁１１８、および２つの側面１１４、１１６を有している。可変のコンセントレータ１１０は、タービンシステムの押し側かつブレードアセンブリ１４０の上流に位置している。側面１１４は、ブレードアセンブリ１４０の高さの大部分にわたって軸Ｙにおおむね平行に延びている偏向面であってよい。
【００６５】
可変のコンセントレータ１１０は、第１の位置と第２の位置との間を可動であってよく、可変のコンセントレータ１１０を、第１の位置において第２の位置に比べてより多くの流体をブレードアセンブリへと偏向させるように構成することができる。いくつかの実施形態においては、可変のコンセントレータ１１０が、付勢機構によって第１の位置に向かって付勢されている。付勢機構は、能動的（例えば、モータ）または受動的（例えば、ばね）であってよい。可変のコンセントレータ１１０を通過して流れる流体の速度が増すにつれて、可変のコンセントレータを、ブレードアセンブリ１４０へと向けられる流体をより少なくし、あるいは実質的に皆無にする第２の位置に向かって動かすことができる。いくつかの実施形態においては、可変のコンセントレータ１１０を横切って流れる流体が、可変のコンセントレータ１１０を動かす。いくつかの実施形態においては、可変のコンセントレータ１１０の位置を決めるために、モータまたは他のポジショナを、可変のコンセントレータ１１０を過ぎて流れる流体によって引き起こされる動きに代え、あるいは可変のコンセントレータ１１０を過ぎて流れる流体によって引き起こされる動きに加えて、使用することができる。タービンシステム１００を、可変のコンセントレータを流体の速度が低い環境においては第１の位置に位置させ、流体の速度が高い環境においては第２の位置に位置させるように、構成することができる。可変のコンセントレータは、流体の速度が低い環境においては、流体をブレードアセンブリの方向へとそらすことができ、かつ高い流体の速度によってタービンが損傷することを防止することができる。したがって、可変のコンセントレータを、ガバナと称することもできる。
【００６６】
図１に示した概略図は、案内モータ１０２およびテールフィン１０４を、流体タービンシステム１００の一部として含んでいる。案内モータ１０２およびテールフィン１０４を、おおむねブレードアセンブリ１４０の上流のコンセントレータ１２０および可変のコンセントレータ１１０のうちの１つ以上の相対位置を維持するために、単独または組み合わせにて使用することができる。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０が、自動的にブレードアセンブリ１４０の上流の位置を保ち、その上流位置を維持するためにブレードアセンブリ１４０の外周の周囲で回転するような形状および構成を有することができる。例えば、図１に示されているように、コンセントレータ１２０の湾曲した対称形が、流体の流れへと上流を向く傾向を可能にすることができる。コンセントレータ１２０または可変のコンセントレータ１１０のうちの１つ以上が、所定の流体の流れにおいて上流を向くような形状および構成を有している実施形態においては、別の可変のコンセントレータ１１０またはコンセントレータ１２０あるいは流体タービンシステムの他の構成要素を、やはり上流方向に対する特定の位置を維持するように、可動の構成要素へと接続することができる。いくつかの実施形態においては、タービンシステムを、流体（例えば、風）の方向がおおむね一定である領域に配置することができ、コンセントレータ１２０および可変のコンセントレータ１１０が、ブレードアセンブリ１４０に対して比較的固定された位置を有することができる。
【００６７】
図２は、ブレードアセンブリ１４０、コンセントレータ１２０、および可変コンセントレータ１１０を含むタービンシステムの典型的な実施形態である。全体としての流体の流れの大まかな方向が、矢印２００によって示されている。図２は、矢印２００によって示されているとおりにタービンシステムに接近する全体としての流体の流れに応答して、考えられるさまざまなタービンシステムの周囲の流体の流れの経路を大まかに示している。例えば、矢印２０４が、一部の流体を図２に示されているとおりに押し側に向かって案内できることを示している。矢印２０６は、少なくとも一部の流体を押し側から遠ざかるように案内でき、引き続いて下流へと最終的にタービンシステムから離れるように流すことができることを示している。矢印２０８は、少なくとも一部の流体をブレード１４２の後面部分２５０を横切って流すことができることを示している。流体がブレード１４２の後面部分２５０を横切って流れるとき、流速を高めることができる。矢印２０８によって示される経路に沿って流れる流体の速度の増加は、ブレード１４２に揚力をもたらすことができ、したがってブレードアセンブリ１４０を回転させようとするトルクをもたらすことができる。コンセントレータ１２０に沿って（例えば、矢印２０４、２０６によって示されている経路に沿って）流れている流体も、速度および圧縮を高める傾向にある。矢印２０４によって示される経路に沿ってコンセントレータ１２０によって増速された圧縮および集中済みの流体が押し側へと流れ、ブレードアセンブリ１４０を回転させるためにより大きなトルクをもたらす。
【００６８】
ブレードアセンブリ１４０の掃引経路の外周が、破線２０２によって示されている。図２に矢印２１４、２１６、２１８、２２０によって示されているように、ブレードアセンブリ１４０の掃引経路の内側の流体は、反時計方向に流れることができる。矢印２１４によって示される経路に沿って流れる流体が、ブレード１４４の押し表面２６０へと衝撃をもたらすことができる。矢印２１６によって示される経路に沿って流れる流体は、ブレード１４６のキャッチ表面２７０へと衝撃をもたらすことができる。コンセントレータ１２０は、全体としての流体の流れがブレード１４８の抗力表面２８０には作用しないような形状、構成、および／または配置を有することができる。図２に示した実施形態において、コンセントレータのうちの最も戻り側に位置する部位は、平面Ｘに垂直な方向に掃引経路を超えて押し側から離れるように延びている。したがって、矢印２０６によって示される経路に沿ってコンセントレータ１２０を過ぎて流れる流体は、ブレード１４８の抗力表面２８０に衝突することなくブレードアセンブリ１４０を過ぎて下流へと流れる傾向にあり、したがってタービンシステムの効率が向上する。
【００６９】
さらに、矢印２２４、２２６、２２８、２３０、２３２によって示されるとおり、コンセントレータ１２０の形状および位置は、ブレードアセンブリ１４０の掃引経路の外へと上流に流れる流体を、コンセントレータ１２０によって向け直して下流へと、最終的にブレードアセンブリ１４０から遠ざかるように流すことができる。とくには、流体を、コンセントレータ１２０の上流表面１３２に沿って矢印２２８によって示される経路に従って流すことができ、コンセントレータ１２０の下流表面１３０に沿って矢印２３０によって示される経路に従って下流へと流れるように向け直すことができる。これにより、コンセントレータ１２０は、流体をブレードアセンブリ１４０から連続的に引き出す流体逃がし経路をもたらすことができる。この流体の連続的な引き出しは、ブレードへと推進力を付与した後の流体をブレードアセンブリの掃引経路から取り除こうとする相対の真空効果を生成でき、あるいはそのような真空効果に貢献することができる。
【００７０】
上述のように、コンセントレータ１２０の端部は、図１に距離Ｚによって示されているとおり、平面Ｘに対して垂直な方向に、押し側から遠ざかるように、ブレードの掃引経路を超えて延びることができる。このようにして、コンセントレータの配置によって、遮蔽効果を生み出すことができ、そのような遮蔽効果は、下流へと流れる流体がブレード１４８に接することを防止するだけでなく、流体を全体としての流体の流れに逆らうことなくコンセントレータへと（例えば、矢印２２４によって示される経路に沿って）引き込むための充分な空間ももたらすことができる。流体は、（例えば矢印２３２によって示されている経路に沿って）コンセントレータ１２０の下流表面１３０から離れるときに、（例えば矢印２０６によって示されている経路に沿って）コンセントレータ１２０の上流側表面からそらされた流体に合流でき、あるいはそのような流体と並んで流れることができる。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０が、タービンの最外縁に正接しかつ平面Ｘに平行である第２の平面に少なくとも交差するよう、さらに戻り側への方向に、少なくともタービンの外縁まで延びることができる。第２の平面は、ブレード先端半径だけ平面Ｘから離れることができ、コンセントレータが、平面Ｘに対して垂直かつ押し側から離れる方向に測定される延在距離だけ、第２の平面を過ぎて延びることができる。いくつかの実施形態においては、延在距離が、ブレード先端半径の少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも２５、または少なくとも３０パーセントであってよい。いくつかの実施形態においては、延在距離が、ブレード先端半径の約１０〜約２０パーセントの間である。好ましくは、延在距離が、ブレード先端半径の約２０から３０パーセントの間であり、ブレード先端半径の約２３〜２７パーセントの間であり、あるいはブレード先端半径の約２５パーセントである。いくつかの実施形態においては、タービンが、押し側から最も離れた戻り側外縁を有しており、コンセントレータが、押し側から最も離れた戻り側端を有している。いくつかの実施形態においては、コンセントレータの戻り側端と平面Ｘとの間の最短距離が、タービンの戻り側外縁と平面Ｘとの間の最短距離よりも、少なくとも１．１、少なくとも１．２、少なくとも１．３、少なくとも１．４、あるいは少なくとも１．５倍大きい。好ましくは、コンセントレータの戻り側端と平面Ｘとの間の最短距離が、タービンの戻り側外縁と平面Ｘとの間の最短距離よりも大きいこと約１．１〜１．４倍の間であり、約１．２〜１．３倍の間であり、あるいは約１．２倍である。
【００７１】
さらに、コンセントレータ１２０によって生み出すことができる相対の真空効果は、ブレードアセンブリ１４０の付近の流体の回転の中心を、戻り側に向かってずらすことができ、あるいはさらに戻り側へとずらすことができる。ブレードの開放部または窓に流入する流体の大まかな方向が、矢印２３４、２３６、２３８、２４０によって示されている。この流体を、一部が矢印２４２、２４４によって示されているとおり、コンセントレータ１２０によってブレードアセンブリから離れるように引き出すことができる。矢印２２１および２２２が、少なくとも一部の流体が、完全にコンセントレータの下流側表面に向かって引き出されてコンセントレータから遠ざかるように向け直されることなく、ブレードアセンブリ１４０の掃引経路から逃げ出し、タービンシステムから離れるようにおおむね下流へと流れることができることを示している。
【００７２】
図２に示したタービンシステムの実施形態においては、可変のコンセントレータ１１０が、流体をブレードアセンブリ１４０に向かってそらすことがほとんどまたは全くなく、あるいは少量の流体だけをそらし、もしくは可変のコンセントレータ１１０が存在しない場合に矢印２００によって定められる全体としての流体の流れに起因してブレードアセンブリ１４０に向かって流れる量を超えない流体またはそれよりもわずかに少ない流体をそらすように、配置されている。いくつかの実施形態においては、可変のコンセントレータの側面に沿って（例えば、矢印２１０、２１２によって示される経路に沿って）流れる流体の速度を一時的に高めることができるが、流体が、流体の全体としての流れよりもさらにブレードアセンブリ１４０に向かって案内されることはない。いくつかの実施形態においては、可変のコンセントレータ１１０が、流体をブレードアセンブリ１４０に向かって案内していない場合に、高い流体の速度によってブレードアセンブリ１４０が損傷することがないようにするわずかな遮蔽効果をもたらすような形状および配置を有している。
【００７３】
図２をさらに参照すると、図２に示されている状態のブレードアセンブリ１４０は、リフト位置にあるブレード１４２と、押し位置にあるブレード１４４と、キャッチ位置にあるブレード１４６と、戻り位置にあるブレード１４８とを有している。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ１４０が、少なくとも１つのブレードがリフト位置にあり、少なくとも１つのブレードが押し位置にあり、少なくとも１つのブレードがキャッチ位置にあり、少なくとも１つのブレードが戻り位置にあるトルク位置を有することができる。ブレードアセンブリ１４０が回転するにつれて、ブレードは、位置を変化させることができる。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ１４０が、リフト位置、押し位置、キャッチ位置、および戻り位置の有利なトルク特性が入力流体に応答してタービンが回転するときに常にもたらされるよう、回転するときに常にトルク位置にある。いくつかの実施形態においては、各々のブレードが、主としてリフト位置、押し位置、キャッチ位置、および戻り位置のうちの１つだけに位置する。４枚のブレードを備えるいくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ１４０の１つ以上の回転位置において、１枚のリフトブレード、１枚の押しブレード、１枚のキャッチブレード、および１枚の戻りブレードだけが存在し、ブレードは、それらの主たる位置または支配的な位置によって分類される。
【００７４】
図３Ａは、図２に示したタービンシステムと同様のタービンシステムの上面図であり、上述の特徴からもたらされる図２に示した各経路に沿って流れる流体の相対速度のさまざまなゾーンを示している。ゾーンＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥは、比較的中間の流速の領域を示している。ゾーンＦおよびＧは、比較的高い流速の領域を示している。ゾーンＨ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、およびＭは、比較的低い速度の領域を示している。
【００７５】
図３Ｂが、２８ｍｐｈに近い入力速度におけるタービンシステムの実施形態の典型的な速度のプロットである。図３Ｂは、ゾーンＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥが、入力速度に近い流体の速度を有することを示している。ゾーンＦおよびＧが、入力速度よりも大きい流体の速度を有する一方で、ゾーンＨ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍは、入力速度を下回る流体の速度を有している。図３Ｂに示されるとおり、２８ｍｐｈに近い入力速度が、ブレードアセンブリの押し側に近いゾーンＦに示されるとおり、少なくとも４５ｍｐｈの速度を生み出すことができる。また、この速度のプロットは、流体の相対的集中を示すことができる速度ベクトルも含んでいる。とくには、図３Ｂは、コンセントレータの付近の流体の集中の向上を示している。
【００７６】
図４Ａは、タービンシステムの上面図であり、タービンシステムの周囲の流体の相対圧力の種々のゾーンを示している。図２に示されているような全体としての流体の流れの方向を仮定すると、図４Ａに示されているタービンシステムは、図４ＡにゾーンＮ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、およびＳとして示されている中程度の圧力の領域を有することができる。タービンシステムは、図４ＡにゾーンＴとして示されている高い圧力の領域およびゾーンＵとして示されているより低い圧力の領域を有することができる。
【００７７】
図４Ｂが、タービンシステムの典型的な実施形態の圧力のプロットである。図４Ｂにおいて図示の速度ベクトルに従って流れている入力流体の圧力は、ゾーンＮを占めている中程度の圧力である。図４Ａと同様、中程度の範囲の圧力の他の領域は、ゾーンＯ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、およびＳを含む。やはり、図４Ａと同様に、ゾーンＴが高い圧力の領域であり、ゾーンＵが、入力流体の圧力に比べて低い圧力の領域である。
【００７８】
図５は、タービンシステム１００の別の実施形態を示している。図５においては、可変のコンセントレータ１１０が、流体をブレードアセンブリに向かってそらすように配置されている。とくには、低い流速（例えば、風速）において、流体をブレードアセンブリに向けてそらすように配置された可変のコンセントレータは、タービンシステムの始動の流速を下げ、低い流速においてシステムの効率を高めることができる。流体は、矢印５１０、５２０によって示されるように可変のコンセントレータ１１０の周囲を流れることができる。可変のコンセントレータ１１０の形状によって、流体の速度を高めることができるとともに、流体を可変のコンセントレータ１１０の周囲を流れるときに圧縮することができる。また、可変のコンセントレータ１１０を、可変のコンセントレータ１１０を離れる流体がブレードアセンブリに向かって矢印５５０によって示されるとおりの経路に沿って流れることができるように、配置することができる。この流体の少なくとも一部が、ブレードアセンブリのブレード１４２、１４４、１４６、１４８のうちの１つ以上に作用することができ、とくには図５に示したブレード位置のブレード１４４の押し表面２６０に作用することができる。
【００７９】
いくつかの実施形態においては、流体タービンシステム１００の種々の特徴が、システムのトルク出力を増加させることができ、あるいはブレードアセンブリの回転を開始させるために必要な流体の速度を低くすることができる。例えば、ブレードアセンブリが図５に示されている位置に停止している場合、流体が、少なくともブレード１４２、１４４、および１４６からトルクをもたらすことができる。とくには、矢印５６０によって示されるとおりにブレード１４２の曲面部分２５０を横切って流れる流体が、ブレード１４２を回転させようとするリフト効果を生み出すことができる。さらに、少なくとも一部の流体が、ブレード１４４のおおむね真っ直ぐな部分１６０の付近に位置するブレード１４４の開放部を通過して流れ、ブレード１４６のキャッチ表面２７０に作用することができる。キャッチ表面２７０が、ブレード１４４の開放部の下流に直接的に位置する場合、下流へと直接的に流れる流体が、ブレード１４４の開放部を通り、ブレード１４６のキャッチ表面２７０に対して流れることができる。例えば図５に示されているようないくつかの実施形態においては、タービンシステム１００の他の表面（例えば、可変のコンセントレータ１１０またはブレード１４２の曲面部分２５０の表面）によって偏向させられた流体が、流体を全体としての流体の流れの方向からそらし、ブレード１４６の直接的にはブレード１４４の開放部の下流には位置していない部位に衝突させる。全体として流体の流れからの流体、または可変のコンセントレータ１１０からブレードアセンブリへと案内された流体は、ブレード１４４の押し表面部分２６０にも作用することができる。したがって、図５の位置に静止しているブレードアセンブリを横切る流体の流れが、図５に示されているブレードのうちの少なくとも３つからトルクをもたらすことができる。回転しているブレードアセンブリ１４０を過ぎて流れる流体も、同時にブレードのうちの少なくとも３つからトルクをもたらすことができる。
【００８０】
図２に関して上述したように、図５に示されているコンセントレータ１２０も、全体としての流体の流れがブレード１４８の抗力表面２８０に追加の抗力を生じさせることを、防止することができる。また、コンセントレータ１２０は、矢印５４０によって示される経路に沿って流れる流体の速度を高め、矢印５４０によって示される経路に沿って流れる流体を圧縮することができる。さらに、矢印５３０に沿って押し側から離れるように流れる流体が、集中および圧縮させられ、このことが、図２に関して上述したように流体をブレードアセンブリから引き去るうえで助けとなることができる。
【００８１】
図６Ａは、可変のコンセントレータがないタービンシステムの上面図である。図６Ａは、タービンシステムの周囲を流れる流体の種々の速度ゾーンを示している。入力流体の速度が、ゾーンＡ’に示されている。入力流体ならびにゾーンＣ’、Ｄ’、およびＥ’の流体が、中程度の範囲の速度を有している。ゾーンＦ’およびＧ’の流体は、入力流体よりも高い速度で流れ、ゾーンＨ’、Ｉ’、Ｊ’、Ｋ’、Ｌ’、およびＭ’の流体は、入力流体よりも低い速度で流れる。
【００８２】
図６Ｂは、図６Ａに示した実施形態と同様のタービンシステムの典型的な実施形態の速度のプロットである。入力速度は、２８ｍｐｈであり、ゾーンＦ’に示されるとおり、少なくとも４５ｍｐｈの最大速度である。中程度の範囲の速度ゾーンが、Ａ’、Ｃ’、Ｄ’、およびＥ’として示されている。高い流速のゾーンは、Ｆ’およびＧ’を含む。低い流速のゾーンは、Ｈ’、Ｉ’、Ｊ’、Ｋ’、Ｌ’、およびＭ’を含む。流体の流れの方向および流体の相対的集中が、図６Ｂの速度のプロットにおいて速度ベクトルによって示されている。ゾーンＦ’の暗い色の領域は、押し側において、この位置の付近で速度が最大であることを示している。図５のゾーンＦ’の最大速度の領域は、図３ＢのゾーンＦの最大速度の領域よりも大きく、図３Ｂの可変のコンセントレータおよびその位置が、最大の速度で流れる流体の量を少なくし、高い流速におけるタービンの損傷を防止できることを示している。
【００８３】
図７が、流体タービンシステム７００の実施形態を示している。流体タービンシステム７００が、ブレードアセンブリ７４０、コンセントレータ７２０、および可変のコンセントレータ７１０を備えている。ブレードアセンブリ７４０、コンセントレータ７２０、および可変のコンセントレータ７１０は、本明細書において説明したブレードアセンブリ１４０、コンセントレータ１２０、および可変のコンセントレータ１１０と同様であってよい。図７に示した実施形態において、コンセントレータ７２０および可変のコンセントレータ７１０は、ブレードアセンブリ７４０の高さよりも大幅に大きい高さを有している。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ７４０、コンセントレータ７２０、および可変のコンセントレータの高さが、実質的に等しい。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ７２０または可変のコンセントレータのうちの１つ以上の高さが、ブレードアセンブリの１枚以上のブレードの高さの少なくともかなりの割合である。
【００８４】
図８が、垂直軸の流体タービンシステム８００の実施形態の側面図である。説明の目的のために、流体の方向が、矢印８１０によって示されている。ブレードアセンブリ１４０の中央のシャフト１９０の上部および下部に位置する軸受ケース８０６、８０８が、ブレードアセンブリ１４０を回転可能にしている。軸受ケース８０６を、上部ブラケット８０２に取り付けることができ、軸受ケース８０８を、下部ブラケット８０４に取り付けることができる。図８に示されている実施形態においては、上部および下部ブラケット８０２、８０４が、タービンシステム８００の下部のベース８１２に対して回転することができる。テールフィン１０４が、上部および下部ブラケット８０２、８０４の間に延在できる。テールフィン１０４は、コンセントレータ１２０および可変のコンセントレータ１１０がブレードアセンブリ１４０の上流（例えば、風上）に位置して、接近する流体（例えば、風）に面するように、システムを向けることができる。可変のコンセントレータ１１０およびコンセントレータ１２０は、図８に示されているとおりのブレードアセンブリの左側において、上部および下部ブラケット８０２、８０４の間を延びている。いくつかの実施形態においては、コンセントレータ１２０が、上部および下部ブラケット８０２、８０４に対して固定され、可変のコンセントレータが、上部および下部ブラケット８０２、８０４へと回転可能に取り付けられる。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ１４０の回転の速度を、回転エネルギーの電力への変換に最適な速度へと変換するために、ギアボックス１０６を使用することができる。ギアボックス１０６を、システムのベース８１２に配置することができる。
【００８５】
サーボモータであってよい案内モータ１０２を、テールフィン１０４に代え、あるいはテールフィン１０４に加えて、上部および下部ブラケット８０２、８０４をベース８１２に対して向けるために使用することもできる。案内モータ１０２を、いくつかの実施形態においては流体の流れ（例えば、風）の方向を検出することができるセンサへと接続することができ、タービンシステム８００を、コンセントレータ１２０および可変のコンセントレータ１１０がブレードアセンブリの上流（例えば、風上）に位置するように向けることができる。案内モータ１０２を、システムを安定させ、テールフィン１０４が流体の流れの方向のわずかな変化に応答して動揺または回転することがないようにするために、使用することができる。いくつかの実施形態においては、抑動器（図示されていない）を、案内モータ１０２に代え、あるいは案内モータ１０２に加えて、流体の流れの方向のわずかな変化へのシステムの応答を遅くするために使用することができる。第２の案内モータ（図示されていない）を、可変のコンセントレータ１１０の向きを変えるために使用することができる。第２の案内モータを、いくつかの実施形態においては流体の速度を検出することができるセンサへと接続することができ、システム８００が高い流速（例えば、強い風）にさらされている場合には、流体をブレードアセンブリ１４０から遠ざかるようにそらすために、可変のコンセントレータ１１０をブレードアセンブリ１４０から離れるように向けることができる。案内モータのうちの１つ以上を、ベース８１２内に配置することができる。ブレードアセンブリ１４０、コンセントレータ１２０、および可変のコンセントレータ１１０のためのブラケットまたは取り付け部材について、他の構成も使用可能である。これらの設計を、流体のエネルギーの効率的な変換を促進するように最適化することもできる。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ１４０、コンセントレータ１２０、または可変のコンセントレータ１１０のうちの１つ以上が、別々に取り付けられ、残りの構成部品のうちの１つ以上に対して別々に可動であってよい。流体タービンシステム８００は、スタータを備えることもできる。スタータは、ブレードアセンブリ１４０の回転の開始を補助することができる。いくつかの実施形態においては、スタータが不要であり、ブレードアセンブリ１４０が、適切な流体の状況において自動的に始動する。
【００８６】
図９および１０が、４枚のブレードを備えるブレードアセンブリ７４０を示している。ブレードの半径方向のほぼ内側半分が、実質的に開放している。上部ブレード支持部９０２、中間ブレード支持部９０４、および下部ブレード支持部９０６が、回転の軸から、開放部よりも軸から遠くに位置しているブレードの実質的に中実な部分まで延びている。図９および図１０に見られるように、開放部または窓を、ブレードの高さのかなりの部分にわたって延ばすことができる。開放部は、連続的であっても、不連続であってもよい。例えば、図１０の開口１００２を、連続的な開口１００２として見ることができ、あるいはブレードの高さに沿って延びている１つの不連続な開口の小さな一部分と見ることができる。
【００８７】
図１１は、図７に示したコンセントレータ７２０の斜視図である。コンセントレータ７２０は、上流側表面１１０４および下流側表面１１０６を備えている。コンセントレータ７２０の前縁１１０２が、コンセントレータ７２０に向かって流れる流体を、タービンの押し側半分に向かって流れる流体の押し部分と、タービンの押し側半分から遠ざかるように流れる流体の戻り部分とに分割するように構成されている。後縁１１１０、１１０８を、前縁１１０２の下流に位置させることが可能であってよい。後縁１１０は、図１および図２に示したコンセントレータ１２０の押し側端１３４に相当することができる。後縁１１２は、図１および図２に示したコンセントレータ１２０の戻り側端１２８に相当することができる。
【００８８】
図１２は、図７に示した可変のコンセントレータ７１０の斜視図である。可変のコンセントレータ７１０は、前縁１２０２、後縁１２０６、および側面（偏向面）１２０４を有することができる。後縁１２０６を、前縁１２０２の下流に位置させることが可能であってよい。
【００８９】
図１３および図１４が、上述した流体タービンシステムと同様の流体タービンシステムにおいて使用されるように構成できるブレードアセンブリ１３００の実施形態を示している。図１３に示したブレードアセンブリ１３００の実施形態は、上述した図１のブレードアセンブリ１４０の実施形態と同様であってよいが、水平プレートが追加され、ブレードアセンブリの長さに沿って一定の間隔で取り付けられている。図１３に示されるとおり、ブレードアセンブリ１３００は、各々が上側および下側に水平プレートを備えている７つの部分を有することができる。ブレードは、各々のブレード部分の中央部の付近に位置することができる開放部または窓を有することができる。図１４が、開口１４０２がブレードの中央部の付近に位置しているブレードアセンブリ１３００の正面図を示している。
【００９０】
いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ１３００が、モジュール式であってよい。例えば、ブレードアセンブリの７つの部分の各々が、中央のシャフト１３０８へと個別に取り付けられる別々の部品であってよい。モジュール式のブレードアセンブリによれば、ユーザの好みまたは利用可能な空間にもとづいてタービンシステムの設計においてブレード部分の数を容易に操作することが可能になる。ブレードアセンブリ１３００を組み立てる１つの典型的な方法は、以下のとおりであってよい。すなわち、（１）下部のプレート１３０６が取り付けられた中央のシャフト１３０８を用意し、（２）プレート１３０４と、プレート１３０４の下面から突き出しているブレード部分とを備えており、ブレード部分がプレート１３０４の中央に向かう開口を備えているブレードアセンブリ部分を用意し、（３）ブレードアセンブリ部分を中央のシャフト１３０８へと取り付け、（４）さらなるブレードアセンブリ部分を中央のシャフト１３０８へと取り付け、上部プレート１３０２を備えている最後のブレードアセンブリ部分を中央のシャフト１３０８へと取り付ける。いくつかの実施形態においては、１つ以上のブレードアセンブリ部分が、ブレードアセンブリ部分の上部にではなくて下部に、プレート１３０４を備えることができる。いくつかの実施形態においては、水平プレートが、ブレードから分離されていても、あるいはそもそも省略されてもよい。
【００９１】
いくつかの実施形態において、ブレードアセンブリの１つ以上の部分を、残りの部分のうちの１つ以上から半径方向にオフセットさせることができる。例えば、各々の部分のブレードがブレードアセンブリの全高にわたる真っ直ぐなブレードを実質的に形成するように整列している図１３に示したブレードアセンブリとは異なり、モジュール式のブレードアセンブリの１つの部分のブレードが、その上方および／または下方の部分のブレードに整列していなくてもよい。ブレード部分のオフセットは、非周期的なトルクの出力を生み出すうえで役に立つことができる。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリの各部分が、他の部分から１０度だけオフセットされる。いくつかの実施形態においては、各部分が、約１〜２０度の間、約５〜１５度の間、あるいは約８〜１２度の間で下方または上方の部分からオフセットされる。いくつかの実施形態においては、ブレードを種々のパターンで中央のシャフトの周囲に均等に配置するために、各部分のブレードの数および／または部分の数にもとづいて、一様なオフセットを計算することができる。いくつかの実施形態においては、オフセットが、異なる部位の間で一様ではない。
【００９２】
いくつかの実施形態においては、異なるブレード部分のオフセットが、らせん形または「仮想のらせん」を生み出すことができる。例えば、ブレードアセンブリ１３００の下方の部分のブレード１３２２を、中央のシャフト１３０８に対して０度の基準位置に取り付けることができる。次の部分のブレード１３２０を、１０度に取り付けることができ、次の部分のブレード１３１８を、２０度に取り付けることができ、ブレードアセンブリ１３００の上部のブレード１３１０まで、以下同様である。ブレードアセンブリ１３００の回転における所定の向きにおいて、ブレード１３２２、１３２０、１３１８、１３１６、１３１４、１３１２、１３１０が、流体の流れに対して異なる位置に位置し、異なる時点において流体からの推進力を捕らえることができる。各々の部分が互いに一様な間隔に位置する４枚のブレードを有する場合、ブレードアセンブリ１３００が回転するときに４つの異なるらせんパターンを見ることができる。
【００９３】
いくつかの実施形態においては、ブレード部分を、ブレード部分が特定のブレード部分の上方および下方において同じ方向に扇形に展開するようなパターンにてオフセットさせることができる。パターンは、２つの不連続ならせん形で構成されてよい点を除き、上述したらせん形に類似することができる。例えば、ブレードアセンブリ１３００の真ん中の部分のブレード１３１６を、中央のシャフト１３０８に対して０度の基準位置に取り付けることができる。次の上側の部分のブレード１３１４を、１０度に取り付けることができる。次の上側の部分のブレード１３１２を、２０度に取り付けることができる。次の上側の部分のブレード１３１０を、３０度に取り付けることができる。ブレード１３１６の直下の部分のブレード１３１８を、１０度に取り付けることができる。次の下側の部分のブレード１３２０を、２０度に取り付けることができる。次の下側の部分のブレード１３２２を、３０度に取り付けることができる。より少数のブレード部分またはさらなるブレード部分が含まれてもよく、オフセットの角度は、さまざまであってよい。いくつかの実施形態においては、ブレードアセンブリ１３００が、オフセットのパターンをユーザの好み、流体の流れの状況、または他の要因に応じて変えることができるよう、オフセットの角度を調節することができるブレード部分を有することができる。図１３に関して上述したオフセットの設計を、図１に関して説明したブレードアセンブリ１４０において使用することができる。図１〜図１２において説明した実施形態も、モジュール式であってよく、図１３に示した実施形態に関して説明したような別々の部分にて構成することができる。
【００９４】
いくつかの実施形態においては、より少数または追加のコンセントレータまたは可変のコンセントレータを、ブレードアセンブリにおいて使用されるように構成することができる。すなわち、ブレードアセンブリを、単独で使用することができ、あるいはコンセントレータまたは可変のコンセントレータのうちの１つ以上との組み合わせにおいて使用することができる。組み合わせにて使用される場合、異なる構成要素が、他方が呈する好都合な特徴を、場合によっては相乗的に、高めることができる。例えば、コンセントレータをブレードの半径方向内側の部分に向かう開口または窓を備えるブレードアセンブリと一緒に使用することで、コンセントレータまたはブレードの開口を単独で有することの効果を、高めることができる。また、タービンシステムが、追加のブレードアセンブリを含んでもよく、ブレードアセンブリのうちの１つ以上が、４枚よりも少数または多数のブレードを備えることができる。いくつかの実施形態においては、設計のパラメータを、Ｃｏｓｍｏｓ  ＦｌｏＷｏｒｋｓおよび／またはＡＤＩＮＡコンピュータモデリングなどのコンピュータシミュレーション研究を使用して最適化することができる。ＰＩＶ流体力学解析も、使用することが可能である。これらのツールを、設計の効率を高め、タービンシステムの種々の構成要素の量、サイズ、形状、および／または配置の変更の望ましさを確認するために使用することができる。図３Ｂに示した設計と同様の設計を、約２８マイル／時の風において約５キロワットの電力を生み出すものと推定することができる。いくつかの実施形態においては、３０パーセントを超える理論効率を達成することができる。効率が高いほど、流体の流れから利用可能な力を、より多く有用なエネルギー（例えば、電力）へと変換することができる。垂直軸の流体タービンシステムのいくつかの実施形態を、単一方向の流体の流れまたは層流の流体の流れを必要としないように構成することもできる。さらに、このシステムは、たとえ流体の流れの速度が高くても、生じる騒音の量を少なくすることができる。本明細書に記載のタービンシステムによって鳥が怪我をする可能性は少ない。本明細書に記載の流体タービンシステムの実施形態の多数の特徴が、システムを都市環境における風力タービンとしての使用にとって望ましいものにすることができ、それらを既存の構造に取り付けることも可能である。したがって、本明細書に記載のシステムを、他の風力タービンには適さないニッチな風力資源を利用しつつ、依然としてかなりの量の電力を生成し、送電線の損失を少なくするために使用することができる。
【００９５】
上述のタービンシステムは、垂直軸のタービンに関して説明されているが、そのようなシステムを、必ずしも垂直に取り付ける必要はない。いくつかの実施形態は、適切な変更を伴って、水平または他の向きに取り付けることが可能である。さらには、本明細書に開示された特定の個々の特徴または特徴の組み合わせを、水平タービンまたは他の種類のタービンにおける使用に適応させることができる。さらに、水などの他の流体を、上述のシステムにおいてタービンを回転させるために使用することができる。
【００９６】
本明細書の全体において、「いくつかの実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、少なくともいくつかの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書のさまざまな箇所において、「いくつかの実施形態において」または「実施形態において」という表現が現れた場合、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しているわけではなく、同じまたは異なる１つ以上の実施形態を指している可能性がある。さらには、１つ以上の実施形態において、本明細書の開示から当業者にとって明らかであるとおり、特定の特徴、構造、または特性を、任意の適切なやり方で組み合わせることができる。
【００９７】
本出願において使用されるとき、用語「備えている」、「含んでいる」、「有している」、などは、同義語であり、非排他的な様相で包括的に使用され、さらなる構成要素、特徴、行為、動作、などを排除するものではない。また、用語「または／あるいは」は、（排他的な意味ではなくて）包含的な意味で使用され、例えば構成要素の列挙をつなげるために使用される場合、用語「または／あるいは」は、列挙された構成要素のうちの１つ、一部、またはすべてを意味する。
【００９８】
同様に、実施形態の上述の説明においては、開示を能率的にし、本発明の種々の態様の１つ以上の理解を助ける目的で、種々の特徴がただ１つの実施形態、図、またはそれらの説明にまとめられていることがある。しかしながら、この開示のやり方を、いずれかの請求項がその請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈してはならない。むしろ、本発明の態様は、上記開示の任意の１つの実施形態のすべての特徴の組み合わせにではなく、それら特徴のうちの少数の特徴の組み合わせにある。
【００９９】
特定の好ましい実施形態および実施例を、例示の文脈において説明したが、開示が具体的に説明された実施形態を超えて、他の代案の実施形態および／または使用ならびに自明な変形および同等物にまで広がることを、当業者であれば理解できるであろう。
【図１】
0005615280.tif 000002
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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